JP2017158095A - フィルタ装置、及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズを低減させるフィルタ装置及びインバータ装置の提供。【解決手段】第１の開口部３０１が設けられ、第１の巻線を表した第１の配線パターンが設けられた第１の層と、第２の巻線を表した第２の配線パターンが設けられた第２の層と、第１の層及び第２の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第３の層とを有する第１の多層基板２１１と、第２の開口部３０２が設けられ、第３の巻線を表した第３の配線パターンが設けられた第４の層と、第４の巻線を表した第４の配線パターンが設けられた第５の層と、第４の層及び第５の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第６の層とを有する第２の多層基板２１２と、第１の開口部及び第２の開口部を挿通する第１の脚と、第１の巻線と、第２の巻線と、第３の巻線と、第４の巻線の一部及び別の一部を挟んで第１の脚と並列に設けられた第２の脚及び第３の脚とを有する鉄心を備える。【選択図】図８

Description

本発明の実施形態は、フィルタ装置、及びインバータ装置に関する。

従来から、インバータに代表される電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作により電力変換を行っている。電力変換を行う際に、コモンモード電圧が発生する。コモンモード電圧は、モータの浮遊容量などを介してアースへと流れる漏れ電流（高周波ノイズ）の原因となる。この漏れ電流対策として、フィルタ回路を設ける手法が提案されている。

特開２００５−２０４４３８号公報

しかしながら、従来の技術においては、フィルタ回路で発生する寄生成分の影響によりフィルタ特性が劣化してしまう問題がある。このような問題を解決するためには、大きな断面積かつ実効磁路長の長いコアを用いて、巻線を疎に巻く必要がある。しかしながら、このような構成は、フィルタの大型化を招くため実用的でない。

実施形態のフィルタ装置は、第１の多層基板と、第２の多層基板と、鉄心と、を備える。第１の多層基板は、第１の開口部が設けられた多層基板であって、第１の入出力端子と第１の接続端子とを接続し且つ第１の開口部を囲む渦巻き状の第１の巻線を表した第１の配線パターンが設けられた第１の層と、第１の接続端子に接続された第２の接続端子と第２の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で第１の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、２の開口部を囲む渦巻き状の第２の巻線を表した第２の配線パターンが設けられた第２の層と、第１の層及び第２の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第３の層と、を有する。第２の多層基板は、第２の開口部が設けられた多層基板であって、第３の入出力端子と第３の接続端子とを接続し且つ第２の開口部を囲む渦巻き状の第３の巻線を表した第３の配線パターンが設けられた第４の層と、第３の接続端子に接続された第４の接続端子と第４の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で第３の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、２の開口部を囲む渦巻き状の第４の巻線を表した第４の配線パターンが設けられた第５の層と、第４の層及び第５の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第６の層と、を有する。鉄心は、第１の開口部、及び第２の開口部を挿通する第１の脚と、第１の巻線と、第２の巻線と、第３の巻線と、第４の巻線と、の一部を挟んで第１の脚と並列に設けられた第２の脚と、第１の脚及び第２の脚に挟まれた、第１の巻線と、第２の巻線と、第３の巻線と、第４の巻線と、に流れる電流の向きと逆方向に電流が流れる、第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線、及び第４の巻線の別の一部を挟んで、第１の脚及び第２の脚と並列に設けられた第３の脚と、第１の脚、第２の脚、及び第３の脚の一端を接続する第１のヨーク部と、第１の脚、第２の脚、及び第３の脚の他端を接続する第２のヨーク部と、を有する。

図１は、第１の実施形態の電力変換システムの構成例を示した図である。 図２は、第１の実施形態のコモンモードチョークコイルの外観を例示した図である。 図３は、第１の実施形態のコモンモードチョークコイルを例示した分解図である。 図４は、第１の実施形態のコモンモードチョークコイルの上面図を示したものである。 図５は、第１の実施形態における、第１の固定部材と、第２の固定部材と、を接続する前のコモンモードチョークコイルの断面図を示した図である。 図６は、第１の実施形態の第１の多層基板の第１層の配線パターンを例示した図である。 図７は、第１の実施形態の第１の多層基板の第２層の配線パターンを例示した図である。 図８は、第１の実施形態における、第１の固定部材と、第２の固定部材と、を接続する前のコモンモードチョークコイルの断面図を示した図である。 図９は、第１の実施形態のコモンモードチョークコイルの側面図である。 図１０は、コモンモードチョークコイルと、バイパス路と接続された低インピーダンス層との関係を例示した図である。 図１１は、第１の実施形態のコモンモードチョークコイルにおいて生じる浮遊容量を例示した図である。 図１２は、浮遊容量を説明した図である。 図１３は、第２の実施形態のコモンモードチョークコイルにおいて、第１の固定部材と、第２の固定部材と、を接続する前の外観を例示した図である。 図１４は、第２の実施形態における、第１の鉄心部と、第２の鉄心部と、を接続する前のコモンモードチョークコイルの断面図を示した図である。 図１５は、第２の実施形態のコモンモードチョークコイルの１次側と２次側に同じ方向に電流が流れた場合の磁束の流れを示した図である。 図１６は、第２の実施形態のコモンモードチョークコイルの１次側と２次側に異なる方向に電流が流れた場合の磁束の流れを示した図である。

次に、図を参照して、フィルタ装置が設けられたインバータ装置を備えた電力変換システムの実施形態について説明する。本実施形態ではフィルタ装置として、コモンモードチョークコイルを備えるＥＭＩフィルタについて説明するが、他のフィルタ装置であっても良い。また、本実施形態は、インバータ装置として、ＰＣＳ（Power Conditioning System）について説明するが、他のインバータ装置であっても良い。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の電力変換システムの構成例を示した図である。図１に示されるように、電力変換システムは、太陽光発電装置１５０と、ＰＣＳ（Power Conditioning System）１００と、３相系統連係負荷１８０と、で構成されている。

太陽光発電装置１５０は、直流である入力電源１５１として機能するほかに、アース１９０への浮遊容量１５２が生じている。

３相系統連係負荷１８０は、家庭用又は産業用の商用電源を想定しているが、どのような負荷であっても良い。

ＰＣＳ（Power Conditioning System）１００は、ＥＭＩフィルタ１１０と、３相インバータ１２０と、放熱フィンと、を備えている。ＰＣＳ１００は、太陽光発電装置１５０から供給された直流の電力を、３相の交流の電力に変換し、３相系統連係負荷１８０に出力可能とする。

ＰＣＳ１００は、３相系統連係負荷１８０と接続するための接続端子１３１＿１、１３１＿２、１３１＿３を備えている。

また、ＰＣＳ１００は、太陽光発電装置１５０と接続するための接続端子１３２、１３３を備えている。

３相インバータ１２０は、直流の電力と、３相の交流の電力とを、変換可能とする。

放熱フィン１３０は、３相インバータ１２０を冷却するためのフィンとする。

ところで、系統連係向けのインバータにおいては、商用電源側へのノイズが一定の規制値を超えないようにすることが求められている。このため、図１に示される例では、３相系統連係負荷１８０側へのノイズが、一定の規制値を超えないようにする必要がある。仮に、３相系統連係負荷１８０にノイズが漏れると、３相系統連係負荷１８０からアース１９０への浮遊容量を通り、アース１９０にノイズが漏れ出す可能性がある。そこで、本実施形態では、ＥＭＩフィルタ１１０が設けられている。

ＥＭＩフィルタ１１０は、コモンモードチョークコイル１１１と、３相バイパスコンデンサ１１２と、ノーマルモードリアクトル１１３と、で構成されている。

３相バイパスコンデンサ１１２は、３相インバータ１２０と、３相系統連係負荷１８０に接続可能な端子１３１＿１、１３１＿２、１３１＿３と、を接続する各線から分岐配線して、リアクトルと直列になるように設けられている。

バイパス路１４５は、３相インバータ１２０と、３相系統連係負荷１８０に接続可能な端子１３１＿１、１３１＿２、１３１＿３と、を接続する各線の接続点１４０からの分岐配線であって、３個の３相バイパスコンデンサ１１２を繋いだ中性点と、３相インバータ１２０の直流側の接続点１４１とを接続する。さらに、バイパス路１４５は、コモンモードチョークコイル１１１が備える６個の端子（図示せず）のうち、２つの端子と接続する。このようなバイパス路１４５は、ノイズ電流のバイパス路として機能する。

ノイズ電流のバイパス路は、３相バイパスコンデンサ１１２等を備えた構成のため、外側のアース１９０を介した経路と比べて、インピーダンスの低いルートとして作用する。これにより、外側のアース１９０を介した経路より、大きい電流が内側のバイパス路を通ることになる。

ノーマルモードリアクトル１１３は、３相インバータ１２０の３相交流側に、３相インバータ１２０と、３相系統連係負荷１８０に接続可能な端子１３１＿１、１３１＿２、１３１＿３と、を接続する線毎に設けられている。

コモンモードチョークコイル１１１は、太陽光発電装置１５０と接続するための接続端子１３２、１３３と、３相インバータ１２０と、の間に設けられている。コモンモードチョークコイル１１１は、コモンモード電流に対して、インダクタとして機能するフィルタ装置とする。コモンモードチョークコイル１１１を設けることで、ノイズの絶対値を下げることができる。

図２は、本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１の外観を例示した図である。一般的に、コモンモードチョークコイルは、一つのコアに２本の導線を巻いた構造のため、少なくとも４つの入出力端子を有すると共に、バイパス路１４５と接続するための２つの入出力端子を備えている。

本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１は、第１の多層基板２１１と、第２の多層基板２１２と、第１の多層基板２１１及び第２の多層基板２１２を固定する鉄心部２１３と、で構成されている。

コモンモードチョークコイル１１１においては、第１の多層基板２１１は、一方の導線パターンの両端である２つの入出力端子２０１、２０２と、バイパス路１４５と接続するための入出力端子２０３と、が設けられている。同様に、第２の多層基板２１２も、他方の導線の両端である２つの入出力端子２０４と、バイパス路１４５と接続するための入出力端子と、を含んでいる。

図２に示されるように、コモンモードチョークコイル１１１では、第１の多層基板２１１と第２の多層基板２１２とをずらして配置することで、線（リード）の引き出しを容易にしている。

また、本実施形態では、コモンモードチョークコイル１１１を一つの構成として示した例について説明するが、一つの基板上にコモンモードチョークコイルと、他の回路（例えばインバータ等）と、を配置しても良い。

図３は、本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１を例示した分解図である。図３に示されるように、第１の多層基板２１１に設けられた開口部３０１と、第２の多層基板２１２に設けられた（図示しない）開口部と、を貫いて、第１の鉄心部２１３ａと、第２の鉄心部２１３ｂと、が接続する。

第１の鉄心部２１３ａは、第１の脚３１１ａと、第２の脚３１２ａと、第３の脚３１３ａと、第１のヨーク部３１４と、を備えている。第１のヨーク部３１４は、第１の脚３１１ａ、第２の脚３１２ａ、及び第３の脚３１３ａの一端を接続している。

また、第２の鉄心部２１３ｂは、第１の脚３１１ｂと、第２の脚３１２ｂと、第３の脚３１３ｂと、第２のヨーク部３１５と、を備えている。第２のヨーク部３１５は、第１の脚３１１ｂ、第２の脚３１２ｂ、及び第３の脚３１３ｂの他端を接続している。

第１の鉄心部２１３ａの第１の脚３１１ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂの第１の脚３１１ｂは、第１の多層基板２１１に設けられた開口部３０１と、第２の多層基板２１２に設けられた（図示しない）開口部と、を挿通して接続される。

第１の鉄心部２１３ａの第２の脚３１２ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂの第２の脚３１２ｂは、第１の多層基板２１１、及び第２の多層基板２１２を挟んで接続される。これにより、第２の脚３１２ａ、３１２ｂは、第１の脚３１１ａ、３１１ｂと並列に設けられる。

第１の鉄心部２１３ａの第３の脚３１３ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂの第３の脚３１３ｂは、第１の多層基板２１１及び第２の多層基板２１２を、第２の脚３１２ａ、３１２ｂと別の位置を挟んで接続される。第３の脚３１３ａ、３１３ｂは、第１の多層基板２１１、及び第２の多層基板２１２のうち、第２の脚３１２ａ、３１２ｂと別の一部を挟んで、第１の脚３１１ａ、３１１ｂ及び第２の脚３１２ａ、３１２ｂと並列に設けられる。

図４は、本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１の上面図を示したものである。図４に示されるように、第１の多層基板２１１と、第２の多層基板２１１と、が重なるように設けられている。次にコモンモードチョークコイル１１１の断面図について説明する。

図５は、第１の鉄心部２１３ａと、第２の鉄心部２１３ｂと、を接続する前のコモンモードチョークコイル１１１の断面図を示した図である。図５に示される断面図は、図４のＡ−Ａを示している。図５に示される例では、第１の鉄心部２１３ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂは、プレーナ型フェライトコアとする。そして、第１の多層基板２１１の開口部３０１と、第２の多層基板２１２の開口部３０２と、を貫く第１の脚（第１の脚３１１ａと第１脚３１１ｂが接続することで形成された脚）が、コモンモードチョークコイル１１１のコアとなる。

第１の多層基板２１１は、第１の層と、絶縁層と、バイパス層４１１と、絶縁層と、第２の層と、絶縁層と、で構成されている。図５においては、層２１１ａに、第１の層と、絶縁層と、が含まれ、層２１１ｂに、絶縁層と、第２の層と、絶縁層と、が含まれている。そして、第１層に第１の巻線となる配線パターン４０１ａが設けられ、第２層に第２の巻線となる配線パターン４０１ｂが設けられている。

第１の層の配線パターン４０１ａ及び第２の層の配線パターン４０１ｂは、コアを囲む渦巻き状の巻線として機能する。また、配線パターン４０１ａ及び配線パターン４０１ｂで示された巻線は、コモンモードチョークコイル１１１のＰ側のコイルとなる。巻線は、例えば、銅パターンで表すことが考えられる。また、第１の層の配線パターン４０１ａ及び配線パターン４０１ｂの巻線は、電流が流れた状態で同一方向に磁界を生じさせる。例えば、配線パターン４０１ａ及び配線パターン４０１ｂは、開口部３０１より左側で奥方向に電流が流れ、開口部３０１より右側で手前方向に電流が流れることで、同一方向に磁界を生じさせる。

図６は、本実施形態の第１の多層基板２１１の第１層を例示した図である。図６に示されるように、第１の多層基板２１１は、開口部５１１が設けられている。そして、第１の多層基板２１１の第１の層では、ビア５０１と層間ビア５０２とを接続し、開口部５１１を囲む渦巻き状の第１の巻線を表した配線パターン４０１ａが設けられている。これにより、第１の多層基板２１１の第１層の配線パターン４０１ａは、開口部５１１に挿通された、第１の鉄心部２１３ａの脚（コア）を囲んだ渦巻き状の巻線になるように形成されている。

第１の多層基板２１１の第１層の配線パターンの両端には、ビア５０１と、層間ビア５０２と、が接続されている。ビア５０１は、外部と接続するための入出力端子とする。また、層間ビア５０２は、他の層の配線パターンと接続するための接続端子とする。そして、ビア５０１から電流が流れてきて、ビア５０２から電流が流れていく場合に、矢印５５０に電流が流れる。

また、第１の多層基板２１１の第１層には、第２の層に設けられた入出力端子と接続する配線を通すための穴５０４と、バイパス層４１１と接続する配線を通すための穴５０３と、が設けられている。

図７は、本実施形態の第１の多層基板２１１の第２層を例示した図である。図７に示されるように、第２の多層基板２１１の第２層は、開口部６１１が設けられた層であって、層間ビア６０２とビア６０１とを接続し、開口部６１１を囲む渦巻き状の第２の巻線を表した配線パターン４０１ｂが設けられている。これにより、第１の多層基板２１１の第２層の配線パターン４０１ｂは、開口部６１１に挿入された、第１の鉄心部２１３ａの脚（コア）６１１に施された巻線になるように形成されている。

また、第１の多層基板２１１の第２層の巻線を表した配線パターン４０１ｂの両端には、ビア６０１と、層間ビア６０２と、が接続されている。ビア６０１は、外部と接続するための入出力端子とする。また、層間ビア６０２は、層間ビア５０２を介して、第１層の配線パターン４０１ａと接続するための層間ビアとする。そして、第１の層と接続されているビア６０２から電流が流れてきて、ビア６０１から電流が流れていく場合に、矢印６５０に電流が流れる。図５の矢印５５０と、図６の矢印６５０と、で示されるように、流れる電流の方向は同じとなる。

また、第１の多層基板２１１の第２層には、第１の層に設けられた入出力端子と接続する配線を通すための穴６０３と、バイパス層４１１と接続する配線を通すための穴６０４と、が設けられている。

このように、本実施形態のＰ側のコイルは、複数の層の各々の配線パターンで表された巻線によって、ターン数を構成している。なお、Ｎ側のコイルも同様の構成として、説明を省略する。

図６及び図７に示した例では、巻線の線幅がほぼ同じ場合について示したが、線幅に特に制限を加えるものではなく、実施態様（例えば、層毎）に応じて線幅を異ならせても良い。また、ターン数も実施の態様に応じて設定されるものとする。また、本実施形態では、第１の多層基板において、巻線を表す配線パターンが２層で形成された例について説明したが、３層以上であっても良い。３層以上の場合であっても、巻線を表す配線パターンが形成された層の間にバイパス層を設けることとする。

図５に戻り、バイパス層４１１は、外部の電流経路と接続可能な導電性の層とする。例えば、バイパス層４１１は、層間ビアを介して第２の多層基板２１２のバイパス層４１２と接続し、３相インバータ１２０の３相交流側と直流側とを接続するバイパス路が形成される層であって、第１の層と第２の層との間に設けられることで、第１の層の配線パターン４０１ａ及び第２の層の配線パターン４０１ｂと面的に向かい合う低インピーダンス路を実現する。これにより、バイパス層４１１は、第１の層及び第２の層の配線パターンで表された巻線の間に浮遊容量を生じさせる。

図５に示される例では、第１の層の配線パターン４０１ａの第１の巻線と、第２の層の配線パターン４０１ｂの第２の巻線と、がバイパス層４１１を挟んで線対称になるように配置されているが、このような配置手法に制限するものではない。つまり、配線パターン４０１ａ及び配線パターン４０１ｂの巻き線と、バイパス層４１２と、の間で、浮遊容量を生じさせるのであれば、どのような配置手法であっても良い。

開口部３０１は、第１の多層基板２１１に対して、第１の層の配線パターンの巻線で囲まれた領域、及び第２の層の配線パターンの巻線で囲まれた領域を貫いている。

第２の多層基板２１２は、第３の層と、絶縁層と、バイパス層４１２と、絶縁層と、第４の層と、絶縁層と、で構成されている。図５においては、層２１２ａに、第３の層と、絶縁層と、が含まれ、層２１２ｂに、絶縁層と、第５の層と、絶縁層と、が含まれている。そして、第３層に第３の巻線となる配線パターン４０２ａが設けられ、第４層に第４の巻線となる配線パターン４０２ｂが設けられている。

第３の層の配線パターン４０２ａ及び第４の層の配線パターン４０２ｂは、コアを囲む渦巻き状の巻線として機能する。また、配線パターン４０２ａ及び配線パターン４０２ｂで示された巻線は、コモンモードチョークコイル１１１のＮ側のコイルとなる。また、配線パターン４０２ａ及び配線パターン４０２ｂの巻線は、電流が流れた状態で同一方向に磁界を生じさせる。例えば、配線パターン４０２ａ及び配線パターン４０２ｂは、開口部３０２より左側で奥方向に電流が流れ、開口部３０１より右側で手前方向に電流が流れることで、同一方向に磁界を生じさせる。

第２の多層基板２１２の第３層の配線パターン４０２ａ及び第４層の配線パターン４０２ｂは、巻き方向が第１の多層基板２１１の第１層の配線パターン４０１ａ及び第２層の配線パターン４０１ｂと同じとし、同様の構成で実現できるため、説明を省略する。

バイパス層４１２は、外部の電流経路と接続可能な導電性の層とする。例えば、バイパス層４１２は、層間ビアを介して第１の多層基板２１１のバイパス層２１１と接続し、３相インバータ１２０の３相交流側と直流側とを接続するバイパス路が形成される層であって、第１の層と第２の層との間に設けられることで、第１の層の配線パターン４０１ａ及び第２の層の配線パターン４０１ｂと面的に向かい合う低インピーダンス路を実現する。これにより、バイパス層４１２は、第１の層の配線パターン４０１ａ及び第２の層の配線パターン４０１ｂで表された巻線の間に浮遊容量を生じさせる。

第２の脚（第２の脚３１２ａと第２の脚３１２ｂが接続することで形成された脚）は、第１の層の第１の巻線と、第２の層の第２の巻線と、第３の層の第３の巻線と、第４の層の第４の巻線と、の一部を挟んで第１の脚と並列に設けられる。

第３の脚（第３の脚３１３ａと第３の脚３１３ｂが接続することで形成された脚）は、第１の脚及び第２の脚に挟まれた、第１の巻線と、第２の巻線と、第３の巻線と、第４の巻線と、に流れる電流の向きと逆方向に電流が流れる、第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線、及び第４の巻線の別の一部を挟んで、第１の脚及び第２の脚と並列に設けられる。

そして、コモンモードチョークコイル１１１は、配線パターン４０１ａ、配線パターン４０１ｂ、配線パターン４０２ａ、及び配線パターン４０２ｂ全てに同じ方向の電流が流れた（コモンモード電流が流れた）場合に、インダクタとして機能する。

図８は、第１の鉄心部２１３ａと、第２の鉄心部２１３ｂと、を接続する前のコモンモードチョークコイル１１１の断面図を示した図である。図８に示される断面図は、図４のＢ−Ｂを示している。図８に示される例では、第１の鉄心部２１３ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂは、プレーナ型フェライトコアとする。そして、第１の多層基板２１１の開口部３０１と、第２の多層基板２１２の開口部３０２と、を挿通し、第１の鉄心部２１３ａ及び第２の鉄心部２１３ｂの第１の脚が、コモンモードチョークコイル１１１のコアとなる。

図９は、本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１の側面図である。図９に示されるように、コモンモードチョークコイル１１１は、鉄心部２１３で、第１の多層基板２１１及び第２の多層基板２１２を固定している。

図９の線（１）は、入出力端子となるビア５０１から延びた線であって、図１の（１）と対応し、コモンモードチョークコイル１１１のＰ側且つ太陽光発電装置１５０側の線を示している。図９の線（２）は、入出力端子となるビア６０１から延びた線であって、図１の（２）と対応し、コモンモードチョークコイル１１１のＰ側且つ３相インバータ１２０側の線を示している。

そして、第１の多層基板２１１内において、層間ビア５０２及び層間ビア６０２を接続することで、入出力端子となるビア５０１を介して入力された電流が、入出力端子となるビア６０１から出力されることになる。

図９の線（３）は、入出力端子となるビア８０１から延びた線であって、図１の（３）と対応し、コモンモードチョークコイル１１１のＮ側且つ太陽光発電装置１５０側の線を示している。図９の線（４）は、入出力端子となるビア８０２から延びた線であって、図１の（４）と対応し、コモンモードチョークコイル１１１のＮ側且つ３相インバータ１２０側の線を示している。

そして、第２の多層基板２１２内において、層間ビア８０３及び層間ビア８０４を接続することで、入出力端子となるビア８０３を介して入力された電流が、入出力端子となるビア８０４から出力されることになる。

さらに、図９の線（５）は、図１の（５）と対応し、バイパス路と接続されている。なお、接続手法については、どのような手法を用いても良いものとして説明を省略する。

図１０は、コモンモードチョークコイル１１１と、バイパス路と接続された低インピーダンス層との関係を例示した図である。図１０に示されるように、コモンモードチョークコイル１１１のＰ側のコイル及びＮ側のコイルに挟み込まれるように、低インピーダンス路となるバイパス層が設けられることで、コモンモードチョークコイル１１１を構成するコイルと、低インピーダンス路との間に、浮遊容量９０１を生じさせる。

図１１は、コモンモードチョークコイル１１１において生じる浮遊容量を例示した図である。図１１に示されるように、第１の多層基板２１１の配線パターンで表されたコイルでは、巻線間に浮遊容量１００１が生じる。また、層間ビアで接続された巻線間にも、浮遊容量１００２が生じる。これら浮遊容量が生じると、ノイズが漏れ出る可能性がある。そこで、本実施形態では、巻線と、バイパス路との間に、浮遊容量１１１１を生じさせることで、巻線間等で生じている、等価的に好ましくない浮遊容量１００１、１００２をキャンセルさせる。

図１２は、浮遊容量を説明した図である。図１２に示されるように巻線間に浮遊容量１００１（当該浮遊容量１１００のサイズをＣsとする）が生じ、巻線と低インピーダンス路（バイパス路）との間に浮遊容量１１１１（当該浮遊容量１１１１のサイズをＣbとする）が生じているものとする。なお、図１２（ａ）では、コモンモードチョークコイル１１１の巻線のインダクタンスＬとする。なお、コモンモードチョークコイル１１１は説明の簡便上片側のみ示している。また、浮遊容量Ｃｂは、ターン毎の巻線と低インピーダンス路との間に生じている。

図１２（ａ）に示される回路を等価回路として置き換えることで、図１２（ｂ）の構成が導き出せる。さらに、図１２（ｂ）をπ型回路として置き換えることで、図１２（ｃ）の回路構成を導出できる。図１２（ｃ）で示されるアドミタンスＹ1は、式（１）で表すことができる。

式（１）に示されるように、巻線と低インピーダンス路との間の浮遊容量Ｃｂが‘０’から大きくなるに従って、巻線間の浮遊容量Ｃｓの打ち消し度合いが大きくなることが確認できる。そして、浮遊容量Ｃｂが、浮遊容量Ｃｓの４倍になったときに、浮遊容量Ｃｓによる効果をキャンセルし、アドミタンスＹ1を以下に示す式（２）で表すことができる。

また、巻線と低インピーダンス路との間の浮遊容量Ｃｂの調整は、低インピーダンス路の面積や、巻線との距離を調整する手法が考えられるが、他の手法を用いても良い。

つまり、本実施形態のコモンモードチョークコイル１１１は、上述した構成を備えることで、コモンモードチョークコイル１１１内で生じる好ましくない浮遊容量をキャンセルし、より高周波領域までノイズ抑制が可能なフィルタを実現できる。

つまり、巻線間に好ましくない浮遊容量が発生している場合であっても、ある周波数まではインピーダンスが上昇し、インダクタンスも一定値を保つが、インピーダンス及びインダクタンスともにある周波数を極値として、‘０’に近づいていく。当該ある周波数が、共振周波数であって、当該周波数以上ではノイズを抑制するフィルタとしての機能が低下していく。しかしながら、巻き線間の好ましくない浮遊容量を小さくしていくことで、共振周波数の値は大きくなり、より高周波領域までノイズを減衰させることが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、第１の多層基板と第２の多層基板との間に何も挟まない場合について説明した。これに対して、第２の実施形態では、軟磁性シートを追加する場合について説明する。なお、軟磁性シートを追加したこと以外は第１の実施形態と同様の構成とする。第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を割り当て、説明を省略する。

図１３は、第２の実施形態のコモンモードチョークコイル１４００において、第１の鉄心部２１３ａと、第２の鉄心部２１３ｂと、を接続する前の外観を例示した図である。図１２に示されるように、第１の多層基板２１１の、巻線が形成される配線パターンと、第２の多層基板２１２の、巻線が形成される配線パターンと、の間に、軟磁性シート１２０１が設けられる。軟磁性シート１２０１は、第１の鉄心部２１３ａ、及び第２の鉄心部２１３ｂによるコアを避けて、コイル間のみ設けられるような形状をしている。軟磁性シート１２０１としては、例えば、ナノ結晶軟磁性シートを用いることが考えられるが、どのようなものを用いても良い。

図１４は、第１の鉄心部２１３ａと、第２の鉄心部２１３ｂと、を接続する前のコモンモードチョークコイル１１１の断面図を示した図である。図１４に示される断面図は、図２のＡ−Ａを示している。図１４に示される例では、第１の多層基板２１１と、第２の多層基板２１２の間に軟磁性シート１２０１が設けられている。次に、第１の多層基板２１１を１次側とし、第２の多層基板２１２を２次側とした上で、コモンモード電流通電時の磁束について説明する。

図６及び図７に示される矢印５５０、矢印６５０は、コモンモード電流通電時の通電方向を示している。このように、１次側・２次側共に、図１４の左半分のコイルは手前から奥に電流が流れ、右半分のコイルは奥から手前に電流が流れる。図６及び図７に示される例では、コモンモード電流が流れている場合には、１次側と２次側とに同じ方向に電流が流れる。

図１５は、１次側と２次側に同じ方向に電流が流れた場合（コモンモード電流が流れた場合）の磁束の流れを示した図である。図１５に示されるように、電流が同じ方向に流れた場合に、左半分のコイルによる磁束の流れとしては、軟磁性シート１２０１より上部のコイル（第１の多層基板２１１）では、軟磁性シート１２０１を方向１５０１に磁束φcm1が流れる。また、軟磁性シート１２０１より下部のコイルでは、軟磁性シート１２０１を方向１５０２に磁束φcm2が流れる。このため、軟磁性シート１２０１には２つのコイルの磁束φcm1、φcm2が相殺されることで、磁束φDM＝φcm1−φcm2＝０となる。すなわち、コモンモード電流が流れた場合の磁束φDMが‘０’であるため、軟磁性シート１２０１のコモンモードインダクタンスは‘０’となる。

図１６は、１次側と２次側に異なる方向に電流が流れた場合（ディファレンシャルモード電流が流れた場合）の磁束の流れを示した図である。つまり、１次（第１の多層基板２１１）側の左半分のコイルには手前から奥に向かって電流が流れ、２次（第２の多層基板２１２）側の左半分のコイルには奥から手前に向かって電流が流れる。

このような場合に、軟磁性シート１２０１より上部のコイルでは、軟磁性シート１２０１を方向１６０１に磁束φ’cm1が流れ、下部のコイルでは、軟磁性シート１２０１を（軟磁性シート１２０１近傍では同様の方向となる）方向１６０２に磁束φ’cm2が流れる。すなわち、軟磁性シート１２０１の磁束φ’DMは両磁束の和（φ’cm1＋φ’cm2）となる。このため、ディファレンシャルモード電流が流れた場合の軟磁性シート１２０１のインダクタンスは大きくなる。

本実施形態では、軟磁性シート１２０１を１次（第１の多層基板２１１）及び２次（第２の多層基板２１２）の間に挿入することで、ディファレンシャルモード電流に対するインダクタンスを発生させることができる。

本実施形態では、軟磁性シート１２０１を、コアを避けた上で、１次（第１の多層基板２１１）及び２次（第２の多層基板２１２）の間に挿入したことで、コモンモードインダクタンスのみでなく、ディファレンシャルモードインダクタンスを得ることができる。これにより、ディファレンシャルモード用のコイルを配置することなく、ディファレンシャルモードのノイズを低減させることができる。さらに、コイルを配置する必要が無いため、装置の小型化を実現できる。

上述した実施形態においては、高周波ノイズ対策として設けられたＥＭＩフィルタにおいて、上述した構成を備えることで、巻線間等に発生した等価的に好ましくない浮遊容量を下げることができる。これにより、より高周波の帯域までノイズを低減させることができる。

上述した実施形態のＥＭＩフィルタ回路を、インバータおよびインバータによる電力を供給する系統連係システムに組み込んだ場合、誤動作等の原因となるＥＭＩを抑制することが可能となる。さらに、大きなコイルを用いて巻線を疎に巻くことなく、高周波帯域までノイズを低減させることができるため、装置の大型化を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１０…ＥＭＩフィルタ、１１１、１４００…コモンモードチョークコイル、１１２…３相バイパスコンデンサ、１１３…ノーマルモードリアクトル、１２０…３相インバータ、１３０…放熱フィン、１５０…太陽光発電装置、１５１…入力電源、１８０…３相系統連係負荷、１９０…アース、２１１…第１の多層基板、２１２…第２の多層基板、２１３…鉄心部、１２０１…軟磁性シート

Claims (3)

1. 第１の開口部が設けられた多層基板であって、第１の入出力端子と第１の接続端子とを接続し且つ前記第１の開口部を囲む渦巻き状の第１の巻線を表した第１の配線パターンが設けられた第１の層と、前記第１の接続端子に接続された第２の接続端子と第２の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で前記第１の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、前記２の開口部を囲む渦巻き状の第２の巻線を表した第２の配線パターンが設けられた第２の層と、前記第１の層及び前記第２の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第３の層と、を有する第１の多層基板と、
   第２の開口部が設けられた多層基板であって、第３の入出力端子と第３の接続端子とを接続し且つ前記第２の開口部を囲む渦巻き状の第３の巻線を表した第３の配線パターンが設けられた第４の層と、前記第３の接続端子に接続された第４の接続端子と第４の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で前記第３の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、前記２の開口部を囲む渦巻き状の第４の巻線を表した第４の配線パターンが設けられた第５の層と、前記第４の層及び前記第５の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第６の層と、を有する第２の多層基板と、
   前記第１の開口部、及び前記第２の開口部を挿通する第１の脚と、前記第１の巻線と、前記第２の巻線と、前記第３の巻線と、前記第４の巻線と、の一部を挟んで前記第１の脚と並列に設けられた第２の脚と、第１の脚及び第２の脚に挟まれた、前記第１の巻線と、前記第２の巻線と、前記第３の巻線と、前記第４の巻線と、に流れる電流の向きと逆方向に電流が流れる、前記第１の巻線、前記第２の巻線、前記第３の巻線、及び前記第４の巻線の別の一部を挟んで、前記第１の脚及び前記第２の脚と並列に設けられた第３の脚と、前記第１の脚、前記第２の脚、及び前記第３の脚の一端を接続する第１のヨーク部と、前記第１の脚、前記第２の脚、及び前記第３の脚の他端を接続する第２のヨーク部と、を有する鉄心と、
   を備えるフィルタ装置。
2. 前記第１の多層基板と前記第２の多層基板との間に軟磁性シートを、
   さらに備える請求項１に記載のフィルタ装置。
3. ３相インバータと、
   第１の開口部が設けられた多層基板であって、第１の入出力端子と第１の接続端子とを接続し且つ前記第１の開口部を囲む渦巻き状の第１の巻線を表した第１の配線パターンが設けられた第１の層と、前記第１の接続端子に接続された第２の接続端子と前記３相インバータに接続された第２の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で前記第１の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、前記２の開口部を囲む渦巻き状の第２の巻線を表した第２の配線パターンが設けられた第２の層と、前記第１の層及び前記第２の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第３の層と、を有する第１の多層基板と、第２の開口部が設けられた多層基板であって、第３の入出力端子と第３の接続端子とを接続し且つ前記第２の開口部を囲む渦巻き状の第３の巻線を表した第３の配線パターンが設けられた第４の層と、前記第３の接続端子に接続された第４の接続端子と前記３相インバータに接続された第４の入出力端子とを接続し、電流が流れた状態で前記第３の巻線において生じる磁界と同一方向に磁界を生じさせる、前記２の開口部を囲む渦巻き状の第４の巻線を表した第４の配線パターンが設けられた第５の層と、前記第４の層及び前記第５の層の間に設けられ、外部の電流経路と接続可能な導電性の第６の層と、を有する第２の多層基板と、前記第１の開口部、及び前記第２の開口部を挿通する第１の脚と、前記第１の巻線と、前記第２の巻線と、前記第３の巻線と、前記第４の巻線と、の一部を挟んで前記第１の脚と並列に設けられた第２の脚と、第１の脚及び第２の脚に挟まれた、前記第１の巻線と、前記第２の巻線と、前記第３の巻線と、前記第４の巻線と、に流れる電流の向きと逆方向に電流が流れる、前記第１の巻線、前記第２の巻線、前記第３の巻線、及び前記第４の巻線の別の一部を挟んで、前記第１の脚及び前記第２の脚と並列に設けられた第３の脚と、前記第１の脚、前記第２の脚、及び前記第３の脚の一端を接続する第１のヨーク部と、前記第１の脚、前記第２の脚、及び前記第３の脚の他端を接続する第２のヨーク部と、を有する鉄心と、を有するフィルタ装置と、
   前記３相インバータと、負荷に接続可能な端子と、を接続する線毎に設けられているリアクトルと、
   前記３相インバータと、前記負荷に接続可能な端子と、を接続する各線から分岐配線して、前記リアクトルと直列に設けられたコンデンサと、
   前記コンデンサを繋いだ中性点と３相インバータの直流側の接続点とを接続すると共に、前記フィルタ装置の前記第３の層と前記第５の層とを接続する配線と、
   を備えるインバータ装置。